如何设计高性能低侧电流感应设计中的印刷电路板？

由 cathy 提交于周四, 8 三月 2018 - 09:20

作者：Tim Claycomb

在之前的<a href="https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/01/25/52802?HQ…;博客文章</a>中，我向大家介绍了如何借助低侧电流感应控制电机，并分享了为成本敏感型应用设计低侧电流感应电路的三个步骤。在本篇文章中，我将介绍如何使用应用印刷电路板（PCB）技术，采用一款<a href="http://www.ti.com.cn/zh-cn/amplifier-circuit/op-amps/overview.html?HQS=…;微型运算放大器</a> (Op amp)来设计精确的、低成本的低侧电流感应电路。
图1是之前的博客文章引用的低侧电流感应电路原理图，图一中使用的是<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TLV9061?HQS=asc-amps-gpamps-tlv9061-blo…;超小型运算放大器。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36763-l1.j…; alt=“图1：低侧电流感应原理图” width="600"></center><center>图1：低侧电流感应原理图</center>

公式1是计算图1所示电路的传递函数：

其中<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36765-l3.j…; alt=“”>

精确的低侧电流感应设计对印刷电路板的设计有两大要求。首先要确保分流电阻(Rshunt)直接连接到放大器的同相输入端和RG的接地端，这通常被称为“开尔文接法”（Kelvin connection）。如果不使用开尔文接法，会产生与分流电阻(Rshunt)串联的寄生电阻，导致系统产生增益误差。图2显示了系统中寄生电阻的位置。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36766-l4.j…; alt=“图2：与分流电阻(Rshunt)串联的寄生电阻” width="600"></center><center>图2：与分流电阻(Rshunt)串联的寄生电阻</center>

公式2是计算图2中电路的传递函数：

第二个设计要求是要将电阻RG的接地端尽可能地靠近分流电阻(Rshunt)的接地端。当电流流过印刷电路板的接地层时，接地层上会产生压降，致使印刷电路板上不同位置的接地层电压出现差异。这会使系统出现偏移电压。在图3中，连接到RG的地面电压源符号代表了地电位的不同。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36768-l6.j…; alt=“图3：接地层电压差异” width="600"></center><center>图3：接地层电压差异</center>

公式3是计算图3所示电路的传递函数：

图4显示了正确的印刷电路板布局示意图。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36770-l8.j…; alt=“图4：正确的布局示意图” width="600"></center><center>图4：正确的布局示意图</center>

图5展示了我之前建议的适合低侧电流感应设计的印刷电路板布局。顶层是红色，底层是蓝色的。印刷电路板布局中的R5和C1指示负载电阻和去耦电容应该放置的的位置。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2018-03/wen_zhang_/100010545-36771-l9.j…; alt=“图 5：正确的低侧电流感应印刷电路板布局” width="600"></center><center>图 5：正确的低侧电流感应印刷电路板布局</center>

需要注意的是从分流电阻(Rshunt)发出的轨迹线使用开尔文接法且RG尽可能靠近分流电阻 (Rshunt)。您能够使用小型（0.8mm×0.8mm）五引脚X2SON封装的TLV9061运算放大器将所有无源器件放置在顶层分流电阻的两个焊盘之间。您可以从这里方便地将底层的分流电阻(Rshunt)线路穿过通孔与顶层的同相引脚和RG连接起来。

在您今后为低侧电流感应设计印刷电路板布局时，请务必遵循以下准则，以减少设计中潜在的错误：

<ul>
<li>在分流电阻(Rshunt)上使用开尔文接法。</li>
<li>RG尽可能放置在靠近分流电阻(Rshunt)接地端的地方。</li>
<li>去耦电容尽可能靠近电源引脚。</li>
<li>至少要有一个可靠的接地层。</li>
</ul>

了解更多有关使用X2SON封装设计印刷电路板布局的信息，请参阅应用报告“<a href="http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/scea055/scea055.pdf?HQS=asc-amps-gpamps-…;使用</a><a href="http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/scea055/scea055.pdf?HQS=asc-amps-gpamps-… X2SON</a><a href="http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/scea055/scea055.pdf?HQS=asc-amps-gpamps-…;封装进行设计和制造</a>”。

其它资源

<ul>
<li>更多有关印刷电路板布局的信息，请阅读下述博客文章：
<ul>
<li>“<a href="https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2016/01/08/th… href="https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2016/01/08/th…;：</a><a href="https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2016/01/08/th… href="https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2016/01/08/th…;。</a>”</li>
<li><a href="https://e2echina.ti.com/blogs_/b/signalchain/archive/2016/11/28/52601?H…;如何布局仪表放大器的印刷电路板”</a></li>
</ul>
</li>
<li>模拟设计常用公式请见“<a href="http://www.ti.com.cn/zh-cn/amplifier-circuit/op-amps/precision/support-…;模拟工程师口袋参考书</a>。”</li>
<li>阅读放大器专家Art Kay发表的关于去耦电容器的博客文章“<a href="https://e2echina.ti.com/blogs_/b/signalchain/archive/2013/09/17/51504?H…;去耦电容器......是否真的有必要？”</a></li>
</ul>

原文链接：

http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/02/06/how-to-lay-out…

本文转载自：<a href="https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/02/28/52805">TI E2E™ 中文社区</a>
转载地址：https://e2echina.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2018/02/28/52805
声明：本文为转载文章，转载此文目的在于传递更多信息，版权归原作者所有，如涉及侵权，请联系小编邮箱：cathy@eetrend.com 进行处理。